跨学科主题单元“苹果酒制作及品质特性分析”的实践研究

摘要：跨学科主题单元学习有利于打破学科界限，建立不同学科领域之间的联系，实现知识与生活的整合。本文通过架构跨学科主题单元“苹果酒制作及品质特性分析”，使学生认识到高中生物学与化学之间的联系，并能够有效地综合不同学科所学知识去解决真实问题，实现学科育人的价值。

关键词：跨学科；单元学习；核心素养

文章编号：1003-7586（2024）02-0043-03 中图分类号：G63391 文献标识码：B

跨学科主题学习是基于学生的知识基础，围绕某一研究主题，以某一学科课程内容为主干，运用并整合其他课程的相关知识和方法，开展综合性学习的过程。自然科学中的物理学、化学、生物学等各门学科，在思想方法、基本原理、研究内容等方面有着密切的联系。特别是生物学与化学，学科知识如有机物、实验研究方法等具有一定的重合性，学科核心素养中均提到了科学思维、实验探究、社会责任等，是实现跨学科主题单元学习的较优组合。本文通过跨学科主题单元“苹果酒制作及品质特性分析”的实践研究，使学生认识到高中生物学与化学学科知识之间的联系，并能够有效地综合不同学科所学的知识去解决真实问题，真正实现学科育人的价值。

1主题概述

1.1背景分析

生活中的问题看似简单，实则复杂。真实问题的解决通常需要综合运用多种学科的概念、方法和思维，以寻求问题的解决方案。运用跨学科主题单元的学习方法，可将复杂的问题拆分成具体的、可操作的不同学科内容，最终在运用学科知识过程中逐步发展起正确价值观、必备品格和关键能力。

“果酒和果醋的制作”是沪科教版《普通高中教科书生物学选择性必修3生物技术与工程》中的实验内容。果酒的发酵是一个微观的过程，伴随着诸多生化指标的变化。学生不禁产生疑问：苹果酒的制作过程发生了哪些物质变化？制作苹果酒的装置可以被进一步优化从而实现控制有机反应过程吗？自制的苹果酒品质如何？基于以上真实情境中的实际问题，结合高中生物学和化学的相关知识，笔者设计了以“苹果酒制作及品质特性分析”为主题的跨学科主题单元，通过运用多学科知识、方法和思维解决真实问题。

1.2内容分析

本跨学科主题单元学习以“情境－问题－活动”为主线，依次提出“苹果酒的制作原理是什么？”“如何制作苹果酒？”“如何判断自制苹果酒的品质？”3个核心问题。根据学习内容和教学策略对跨学科主题单元进行整合，如图1所示，即“学习内容高整合度、教学策略高整合度、学习内容和教学策略都丰富、学习复杂度高”。

1.3学情分析

高二学生已经对常见的有机化合物如糖类和乙醇的分子结构、生理功能和化学性质等有了一定的认识，科学探究的基本方法也基本掌握。而“苹果酒制作及品质特性分析”是真实情境中的实际问题，更贴近生活，更容易激发学习兴趣，可以很好地将学科理论与生产实践相结合。如何运用这些跨学科的知识、技能和思维在复杂的真实情境中解决问题，是需要学生去实践和挑战的，也是检验学生核心素养是否达成的重要标准。

1.4资源分析

学校生物创新实验室可提供磁力搅拌器、恒温培养箱、传感器等硬件设施。为了保证跨学科主题单元学习的顺利进行，教师可开发并提供相对应的学习工具或学习资料，如文献资料、学习任务单、关键仪器使用的微视频等。

2主题学习目标

跨学科主题单元的设计与对应学科的课程标准和内容要求相匹配，教师基于对应学科核心素养的要求设立了明确的素养型学习目标，如表1所示。

3单元学习结构

跨学科主题单元学习围绕真实的问题展开，通过设置适切的学习任务，实现跨学科学习内容和教学策略的整合，如表2所示。

4实施过程举例

4.1学习任务：探究酵母的呼吸方式，认识不同条件下细胞获取能量的方式不同

[情境]我国水果资源非常丰富，从汉代开始就有果酒生产的相关记载，包括枸杞酒、梅子酒、大枣酒等。果酒以其独特的风味受到人们的喜爱。19世纪法国巴斯德发现了酿酒过程中酵母的发酵作用。

[问题]酵母在有氧和无氧的情况下产生的物质有何不同？生成的能量又有何不同？

[活动]观看演示实验“不同供氧环境下酵母的呼吸方式”。

请学生思考并讨论分析：不同供氧状态下，酵母产生的物质有何差异？能否解释原因？学生思考回答。教师根据学生的回答引出“有氧呼吸”和“无氧呼吸”的概念。

设计意图：通过观察演示实验，学生分析归纳出有氧呼吸和无氧呼吸的产物，帮助学生从物质转变的角度认识有氧呼吸和无氧呼吸。

[活动]搭建“有氧呼吸”模型。

回顾线粒体的结构，要求学生将线粒体的结构模式图画在下发的白板上。请学生阅读PPT上呈现的有氧呼吸过程的文字描述，并根据反应场所将有氧呼吸分为两个阶段。同桌合作，一人对照文字描述有氧呼吸的过程，一人利用教师下发的写好关键词的磁力贴展示在刚才画好线粒体图的白板上，其中代表“能量”的磁力贴要用大小代表产生能量的多少。学生完成简单的“有氧呼吸”模型构建后，再根据过程写出有氧呼吸的总反应式。

设计意图：有氧呼吸的过程是学生学习的重点和难点，单纯地阅读记忆很难引起学生的兴趣。通过动手画、动嘴说、动手贴等活动，多方位调动学生的积极性，通过构建简单的“有氧呼吸”模型，锻炼学生的模型与建模思维。

[活动]观看视频“家庭自制葡萄酒”。

教师提问：为什么开始发酵时瓶盖不拧紧？瓶子留出1／3空间的目的是什么？发酵过程中为什么瓶子的温度会升高？学生讨论回答。教师请学生根据反应物和产物将无氧呼吸的反应式进行配平。

设计意图：让学生认识到生物学知识来源于生活又服务于生活，为接下来苹果酒的制作奠定基础。

4.2学习任务：利用传感器依次测定苹果酒的浊度、酒精含量、pH

[情境]在悠久的历史文化中，有关酒的古诗词数不胜数，关于酿酒的传说也很美。如：“浊酒一杯家万里，燕然未勒归无计”“绿蚁新醅酒，红泥小火炉”“昨夜雨疏风骤，浓睡不消残酒”“野花红碧自争春，村酒酸甜也醉人”。

[问题]自制苹果酒有哪些品质特性？如何用化学实验的方法来检测这些性质？

[活动]测定果酒的浊度

自制的果酒从外观看很混浊，学生首先想到的是过滤。酒的澄清度也是衡量酒质量的一个相当重要的指标。如何精确描述果酒的澄清度？教师提供浊度传感器，显示标准液和水的浊度值，请学生来测定果酒的浊度。

设计意图：一般对溶液的澄清度只是从定性即视觉角度来分析，这次选用浊度传感器，让学生真正感受过滤操作的具体意义，并从定量角度描述果酒的澄清度。

[活动]测定果酒的酒精含量

对于酒来说，酒精含量即酒的度数也是衡量酒质量的一个重要指标。学生书写果酒酿制中发生的化学反应，即酒精的来源。测定酒精的含量就是用数值来体现微观变化。

设计意图：结合生物学知识，用化学语言表示糖类变化过程。培养学生宏观辨识和证据推理能力。

[活动]测定果酒的酸度

乙醇被氧化后会形成乙酸，同时一部分糖类也会形成酸，所以果酒中也含有一定量的酸。请同学们设计用多种方法测定果酒的酸度，以小组为单位设计实验方法及实验步骤。

设计意图：学生通过设计实验方案，并进行比较，提高解决问题的能力。同时形成运用多学科知识解决真实问题的跨学科思维，发展核心素养。

5学习评价

跨学科主题单元学习践行促进学习的评估方式，包括过程性评价和总结性评价两部分。过程性评价针对设定的学习目标而设计，用于检验学习进度并促进学生讨论与反思，采用自评与师评结合的方法，如理论课主要通过收集学生的学案、练习题或课堂回答问题的表现进行评价，实验课通过观察学生动手实验及实验记录的表现进行评价。总结性评价在跨学科主题单元学习结束后，以研究报告书或主题学习汇报的形式进行，采用小组互评与师评结合的方法。

6实践反思

生物学与化学作为两门独立的自然学科，有诸多重合的研究内容，但出于学科特点，在学习的过程中呈现出不同的侧重点。如糖类的学习，生物学侧重于学习糖类在细胞中的作用，而化学侧重于学习糖类的分子结构和化学性质。又如葡萄糖的分解，生物学侧重于学习细胞获取能量的方式，而化学更关注葡萄糖氧化分解的程度。在进行跨学科主题单元学习的过程中，就需要考虑到学习内容和教学策略的整合。“苹果酒制作及品质特性分析”的设计以生物学为主干，通过理论课与实验课的结合完成苹果酒的制作，化学主要以实验课的形式完成苹果酒的化学性质分析。

跨学科主题单元学习的实施也存在一定的困难，如时间的安排。苹果酒的制作本身需要较长的发酵时间，同时需要协调生物学与化学的学习活动安排，这就需要不同学科老师多加协调沟通，共同制订各学习活动之间的时间进度，充分利用好课前、课中和课后的时间开展跨学科主题单元学习。